Што такое GPS? Навошта нам гэта? У чым розніца паміж рознымі навігацыйнымі сістэмамі? Пра ўсё мы пагаворым у гэтым артыкуле.
У цяперашні час GPS здаецца нам штодзённай, звыклай рэччу, пра якую чулі ўсе і большасць з іх выкарыстоўвае ў паўсядзённым жыцці. Гэта адзін з інструментаў, якія мы выкарыстоўваем у нашых прыладах. Пры гэтым мы нават не задумваемся, як гэта працуе, адкуль узялося, колькі часу, сіл і сродкаў прыйшлося ўкласці ў стварэнне гэтай сістэмы. Сёння прымачы сігналу GPS ёсць не толькі навігатары, тэлефоны, смартфоны, планшэты, аўтамабілі, але нават фітнес-бранзалеты і «разумныя» гадзіны, іх дадзеныя выкарыстоўваюцца ў прамысловасці, аматарскім і прафесійным спорце, ралі і гонках, і, вядома, у ваеннай прамысловасці. Давайце больш падрабязна разгледзім розныя сістэмы навігацыі.
Спадарожнікавая навігацыя, або Глабальная навігацыйная спадарожнікавая сістэма, - гэта сістэма спадарожнікаў, якая перадае дадзеныя аб глабальным пазіцыянаванні і дакладны час. Для перадачы інфармацыі выкарыстоўваюцца радыёхвалі пэўных частот. Атрымаўшы такія дадзеныя, прымач вылічае іх і адлюстроўвае каардынаты нашага месцазнаходжання, гэта значыць даўгату, шырыню і вышыню над узроўнем мора.
Акрамя асноўных сістэм (GPS, ГЛОНАСС, BeiDou, Galileo), існуюць і дапаможныя сістэмы ў космасе. Гэта так званыя спадарожнікавыя сістэмы карэкцыі (SBAS), такія як Global Omnistar і StarFire, якія выкарыстоўваюцца ў сельскай гаспадарцы.
Над намі таксама рэгіянальныя сістэмы падтрымкі, такія як WAAS у ЗША, EGNOS у ЕС, MSAC у Японіі і GAGAN у Індыі, якія клапоцяцца аб удакладненні даных у меншых раёнах зямнога шара. Усё гэта падтрымліваецца наземнымі кампанентамі, пра якія мы пагаворым далей. Азначэнняў у сістэме шмат, але не будзем удавацца ў падрабязнасці.
Чытайце таксама: Самыя важныя і цікавыя касмічныя палёты ў 2021 годзе
GPS - не адзіная даступная ў цяперашні час сістэма спадарожнікавай навігацыі. Над нашымі галовамі лётаюць некалькі тыпаў спадарожнікаў, якія адказваюць за геапазіцыянаванне прылад, якія мы трымаем у кішэнях, носім на запясцях або выкарыстоўваем у навігатарах. Чаму існуе некалькі сістэм, а не адна? Упэўнены, што гэтае пытанне задавала большасць звычайных карыстальнікаў. Справа ў тым, што першапачаткова сістэма gps стваралася для ваенных патрэб, і вайскоўцы яе да гэтага часу кантралююць. Гэта азначае, што яны кантралююць пазіцыянаванне ўсіх і ўсюды ў свеце. Вядома, такая пазіцыя не падабалася многім, прычым не толькі апанентам, але нават сябрам. Таму сур'ёзныя сусветныя гульцы вырашылі развіваць свае навігацыйныя сістэмы, каб іх армія магла іх кантраляваць. Неўзабаве ў свеце з'явіліся аналагі GPS, спаборнічаючы адзін з адным за званне лепшых і дакладных на рынку. Для нас, звычайных карыстальнікаў, гэта толькі плюс. Такім чынам, паспрабуем разабрацца з кожнай сістэмай асобна.
Амерыканскі GPS
Гэта першая навігацыйная сістэма, якой мы часцей за ўсё карыстаемся. Калі мы думаем пра спадарожнікавую навігацыю, мы звычайна выкарыстоўваем тэрмін GPS. Першапачаткова амерыканская сістэма называлася NAVigation Signal Timing And Ranging Global Positioning System, або скарочана NAVSTAR-GPS.
GPS знаходзіцца ў руках амерыканскіх вайскоўцаў, а дакладней, касмічных сіл ЗША. Усе прылады правяраюцца на належную працу Space Delta 8, якая базуецца на базе ВПС Шрайвер каля Каларада-Спрынгс і працуе ў складзе штаб-кватэры GPS.
Грамадзянскія прыкладанні з'яўляюцца толькі нязначным дадаткам да ваенных прыкладанняў, для якіх макет і найвышэйшая дакладнасць пазіцыянавання з'яўляюцца прыярытэтнымі. Грамадзянскія карыстальнікі атрымліваюць некалькі скарочаную версію, але яна ўсё яшчэ дастаткова добрая. Нам не патрэбна дакладнасць у некалькі дзясяткаў сантыметраў, каб кіраваць аўтамабілем або бегаць, але ўсё большая дакладнасць патрэбна, напрыклад, у навігацыі, у картаграфіі, у сельскай гаспадарцы для маніторынгу палёў, у транспартных кампаніях для адсочвання транспартных сродкаў і ў многія іншыя вобласці. Таму нядзіўна, што сістэма GPS пастаянна змяняецца, адбываецца аптымізацыя спадарожнікаў.
Поўная гатоўнасць сістэмы GPS была дасягнута ў 1993 годзе, калі на арбіту была выведзена неабходная колькасць спадарожнікаў. Але яшчэ ў 1983 годзе адміністрацыя Рональда Рэйгана зацвердзіла дазвол на выкарыстанне сістэмы ў грамадзянскіх мэтах. Гэта адбылося пасля таго, як СССР збіў карэйскі грамадзянскі самалёт, які памылкова парушыў савецкую паветраную прастору. Аднак першапачаткова дакладнасць сістэмы для грамадзянскага насельніцтва была абмежаваная 100 метрамі. Але і гэтага на той час было дастаткова, каб пазбегнуць далейшых катастроф.
Праца сістэмы GPS з космасу дадаткова падтрымліваецца спадарожнікамі WAAS (Wide Area Augmentation System), якія забяспечваюць неабходную карэкцыю дадзеных для павышэння дакладнасці сістэмы. Яны знаходзяцца ў Паўночнай Амерыцы (і часткова ў Паўднёвай Амерыцы) і знаходзяцца пад апекай FAA (Федэральнай авіяцыйнай адміністрацыі). WAAS прызначаны для падтрымкі грамадзянскіх прыкладанняў спадарожнікавай навігацыі.
Расейская ГЛОНАСС
ГЛОНАСС - гэта абрэвіятура ад глабальнай навігацыйнай спадарожнікавай сістэмы, якая працуе аналагічна амерыканскай GPS. ГЛОНАСС складаецца з 24 актыўных спадарожнікаў, якія знаходзяцца на вышыні прыкладна 19 100 кіламетраў над зямлёй, а арбіта спадарожніка займае 11 гадзін 15 хвілін. Тэставанне сістэмы пачалося ў 1982 годзе, гэта значыць яшчэ ў СССР. Ён сапраўды ствараўся як адказ на амерыканскія распрацоўкі, больш вядомыя ў нас як «Зорныя войны». Савецкі Саюз ні ў чым не хацеў саступаць ЗША, але «Перабудова, галоснасць, паскарэнне» зрабілі сваю справу. Работы ў асноўным згортваліся з-за недахопу сродкаў. Хаця, як потым высветлілася, не ўсё было закрыта. Для амерыканцаў сапраўды стала нечаканасцю, калі ў 1993 годзе было афіцыйна абвешчана аб гатоўнасці сістэмы ГЛОНАСС да эксплуатацыі. У 1995 годзе расіянам удалося вывесці на арбіту цэлую групоўку з 24 спадарожнікаў.
Кітайскі BeiDou
Кітай пачаў распрацоўку сістэмы спадарожнікавай навігацыі ў канцы ХХ стагоддзя. У 2000 годзе ўдалося закрыць першы этап распрацоўкі BDS-1, якая больш вядомая як навігацыйная спадарожнікавая сістэма BeiDou-1. У рамках гэтага праекта кітай і бліжэйшае замежжа атрымалі сістэмы пазіцыянавання. Наступным крокам стаў BDS-2 са спадарожнікавай сеткай, якая забяспечвае пакрыццё ў Азіяцка-Ціхаакіянскім рэгіёне. У 2020 годзе ў рамках праекта BDS-3 сістэма BeiDou запрацавала ва ўсім свеце.
Як і ў іншых распрацоўках спадарожнікавых навігацыйных сістэм, мясцовыя карыстальнікі плацяць за паслугу, але вынікі сапраўды ўражваюць.
Чытайце таксама: Кітай таксама імкнецца асвойваць космас. Дык як у іх справы?
Еўрапейскі Галілей
У чым самая вялікая перавага сістэмы Galileo? У адрозненне ад GPS і ГЛОНАСС, ён застаецца ў грамадзянскіх руках і не належыць якому-небудзь канкрэтнаму ўраду, як гэта было ў камуністычным Кітаі. Сістэма будавалася толькі з улікам грамадзянскага рынку, таму на яе развіццё ў канчатковым выніку ўплываюць патрэбы насельніцтва. Трэба прызнаць, што Galileo - гэта глыток свежага паветра сярод мілітарызаваных сістэм пазіцыянавання. Дагэтуль праграма Galileo завяршыла 28 запускаў і вывела на арбіту 30 спадарожнікаў. У цяперашні час сістэма выкарыстоўвае поўную групоўку спадарожнікаў, але не ўсе прылады заўсёды даступныя, а некаторыя з іх яшчэ чакаюць сваёй чаргі на складах.
Сегмент наземнага абслугоўвання размешчаны ў двух цэнтрах - Oberpfaffenhofen ў Германіі і Fucino ў Італіі. Акрамя таго, сістэма ўключае ў сябе сусветную сетку датчыкаў маніторынгу, станцый вымярэння і перадачы даных.
Японскі МІЧІБІКІ (Michibiki)
Для забеспячэння дакладнасці навігацыі на ўласнай тэрыторыі Японія стварыла невялікае сузор'е спадарожнікаў пад назвай Quasi-Zenith Satellite System (QZSS) або Мічыбікі. У горных або моцна урбанізаваных раёнах аднаго толькі GPS часта бывае недастаткова з-за занадта вялікай колькасці перашкод. 4 спадарожнікі, якія працуюць з лістапада 2018 года, ліквідуюць гэтую праблему. Тры з іх усё яшчэ знаходзяцца ў рэгіёне Азіі і Акіяніі. У 2024 годзе плануецца выйсці на групоўку спадарожнікаў, якая складаецца з 7 адзінак. Гэта яшчэ больш павысіць агульную эфектыўнасць сістэмы і зробіць яе незалежнай ад GPS. Такім чынам, Японія забяспечыць поўную аўтаномію на сваёй тэрыторыі.
Акрамя таго, у Японіі таксама ёсць сістэма падтрымкі дакладнасці GPS/Michibiki пад назвай MTSAT Satellite Augmentation System (MSAS). Ён складаецца з 2 спадарожнікаў, якія, у тым ліку, даюць даныя аб надвор'і.
NavIC (NAVigation with Indian Constellation) - гэта індыйскі аналаг GPS, які таксама называюць Індыйскай рэгіянальнай навігацыйнай спадарожнікавай сістэмай (IRNSS). Сістэма пасля дасягнення ўсіх сваіх магчымасцяў па сваёй працы будзе падобная на японскую. У цяперашні час на арбіце знаходзіцца 7 спадарожнікаў, якія забяспечваюць пазіцыянаванне ў Індыі і на адлегласці да 1500 кіламетраў ад межаў краіны. Сістэма не залежыць ад GPS.
Глабальныя сістэмы дапамогі
Апісваючы асобныя сістэмы, мы згадвалі і аб рэгіянальных сістэмах падтрымкі. Аднак праца спадарожнікавай навігацыі за межамі рэгіянальных межаў таксама можа падтрымліваць глабальныя сістэмы дапамогі. У цяперашні час з іх можна вылучыць два. Гэта Omnistar і StarFire. Абодва яны маюць падтрымку спадарожнікавай навігацыі, якая ў асноўным выкарыстоўваецца для патрэб сучаснага дакладнага земляробства. Іх выкарыстанне патрабуе спецыяльных прыёмнікаў, дзякуючы якім фермер, перамяшчаючыся па сваіх палях, можа працаваць з дакладнасцю да 5-10 сантыметраў (рэкордныя сістэмы падтрымкі даюць дакладнасць 1-2 сантыметры). Такое дакладнае пазіцыянаванне прадастаўляецца як паслуга і патрабуе дадатковай аплаты непасрэдна за дастаўку сістэмных даных.
Omnistar з'яўляецца незалежнай кампаніяй, і яе перадатчыкі можна набыць для розных машын, а сістэму StarFire ад вытворцы сельскагаспадарчага абсталявання John Deere, які прапануе ўбудаваныя або знешнія сістэмы з дакладнасцю да ±3 см і працуюць з GPS і ГЛОНАСС.
Як працуе GPS?
У гэтым раздзеле мы апішам працу GPS з выкарыстаннем арыгінальнай, то ёсць амерыканскай версіі, таму што на дадзены момант у нас самыя даступныя дадзеныя па ёй. Іншыя працуюць аналагічна.
Сузор'е спадарожнікаў GPS
Для карэктнай працы па ўсім свеце неабходна даволі шчыльная сетка спадарожнікаў. У выпадку сузор'я з 24 спадарожнікаў мы можам быць упэўнены, што ў любы час і ў любой кропцы Зямлі мы знаходзімся ў зоне дзеяння чатырох з іх. Амерыканцы ўвогуле абяцалі, што ў 24% выпадкаў будзе даступна не менш за 95. У цяперашні час сістэма падтрымліваецца 31 спадарожнікам. Зямля падзелена на 6 роўных зон, праз якія рухаюцца спадарожнікі, і кожная з іх мае 4 палі для пакрыцця.
Як гэта ўсё працуе на практыцы?
Арбітальны спадарожнік пастаянна перадае радыёсігналы, якія ўлоўлівае наша абсталяванне, якое мае адпаведныя прыёмнікі. Кожны спадарожнік паведамляе сваё месцазнаходжанне і час перадачы. Дадаткова ведаючы, наколькі хутка распаўсюджваюцца радыёхвалі, мы можам вылічыць адлегласць ад гэтага спадарожніка. Калі мы атрымаем дадатковыя дадзеныя яшчэ з трох спадарожнікаў і загрузім дадзеныя адразу з чатырох, прылада вылічыць наша месцазнаходжанне на скрыжаванні дадзеных, якія паступаюць з усіх спадарожнікаў.
Каб усё працавала плаўна і дакладна, нам па-ранейшаму патрэбны дакладныя вымярэнні часу адпраўкі сігналу. Як гэта было дасягнута? Кожны са спадарожнікаў нясе атамны гадзіннік - самы дакладны хранометр з калі-небудзь вынайдзеных чалавекам. Якая дакладнасць такіх гадзін? Час вымяраецца з дакладнасцю да мільённай долі секунды!
Прыёмная прылада выкарыстоўвае ўсе гэтыя даныя для эфектыўнага разліку нашай пазіцыі. Але ўся сістэма таксама павінна ўлічваць такія пытанні, як спецыяльная тэорыя адноснасці, якую напісаў джэнтльмен, шырока вядомы як Альберт Эйнштэйн. Чым далей знаходзіцца аб'ект ад крыніцы гравітацыі, тым хутчэй на ім праходзіць час, таму на кожным спадарожніку трэба рабіць пераразлік. Карацей кажучы, усё гэта даволі складана, але, на шчасце, мы выкарыстоўваем гэтую сістэму на працягу многіх гадоў і пераканаліся, што яна працуе, і працуе даволі добра.
Безумоўна, для нармальнай працы сістэмы неабходны ўдзел высокакваліфікаванага персаналу, узровень падрыхтоўкі якога можна параўнаць з Цэнтрамі кіравання касмічнымі палётамі.
GPS: мільярдныя выдаткі на праграму
Пасля запуску на арбіту спадарожнік не будзе працаваць там вечна. Больш старыя версіі маюць жыццёвы цыкл 7,5 гадоў, больш новыя версіі 12 гадоў, а апошняя сістэма GPS III/IIIF, як чакаецца, будзе заставацца на арбіце 15 гадоў (дадзеныя для амерыканскай версіі сістэмы). Праз гэты час апарат трэба замяніць, таму ў стэрыльных умовах трэба сабраць новы ўзор, і толькі потым гэты твор мастацтва можа адправіцца на арбіту.
У дадатак да абсталявання ў космасе ёсць таксама абсталяванне для маніторынгу на зямлі і высокакваліфікаваны персанал, які адказвае за кіраванне сістэмай. Праца па ўдасканаленні наземнага кампанента таксама працягваецца, цяпер асноўны акцэнт надаецца новай сістэме аператыўнага кіравання (OCX) і звязаным з ёй падсістэмам. Змены ўводзяцца паступова, каб не парушыць працу ўсёй сістэмы GPS.
Ці лёгка заблакіраваць GPS?
Залатыя часы сістэмы GPS ва ўзброеных сілах паступова сыходзяць у забыццё. Згасанне і глушэнне спадарожнікавых сігналаў становіцца ўсё больш і больш распаўсюджаным з'явай, і ў выніку высокадакладная зброя, заснаваная выключна на касмічных дадзеных, ужо не такая эфектыўная, як раней. Праблема закранае не толькі само зброю, але і самалёты, караблі, наземныя транспартныя сродкі і любыя іншыя прылады, якія абсталяваны GPS-прыёмнікам.
Мы не раз бачылі прыклады блакіроўкі сігналу GPS у «гарачых» кропках Зямлі. Здаралася, што вялізныя караблі, якія знаходзіліся ў порце або плылі, напрыклад, у Чорным моры, раптоўна знікалі з карт і з'яўляліся на іх за 30 кіламетраў, і гэта звязана з дзеяннямі рускіх у гэтым рэгіёне. Працягваючы гэтую тэму, варта сказаць, што падобныя мерапрыемствы часта праводзяцца ў сірыі для забеспячэння працы расейскіх баз у рэгіёне. Нават Ізраіль пакутуе ад такога роду перашкод, дзе GPS часам працуе горш, і гэта сур'ёзная праблема, напрыклад, для грамадзянскага паветранага руху.
Перашкода сігналу GPS не ўяўляе асаблівай складанасці. Радыёперадатчык адпаведнай магутнасці і частоты, размешчаны побач з абароненай цэллю, перашкаджае прыёму GPS-прыёмнікамі правільных дадзеных. Вытворцы спадарожнікаў спрабуюць змагацца з гэтым, распрацоўваючы ўсё больш перашкодаўстойлівыя сігналы, якімі абсталяваны найноўшыя версіі абсталявання. Аднак гэта гульня ў кошкі-мышкі, і перавага на баку разбуральнікаў. Яны могуць рэагаваць на змены хутчэй з меншымі выдаткамі і большымі магчымасцямі. Бо спадарожнікі не мяняюцца за тыдзень.
Акрамя падступных мэтаў метады блакавання GPS выкарыстоўваюцца і для абароны кіраўнікоў дзяржаў. Нядзіўна, што расейцы асабліва любяць такія сродкі. Асабліва гэта тычыцца перамяшчэння Пуціна, якія так спрабуюць схаваць, што ў рэгіёне, дзе ён знаходзіцца, пэўны час могуць наогул не працаваць усе сістэмы навігацыі. Расейцы максімальна абараняюць маршрут паездкі свайго прэзідэнта, таму, блакуючы навігацыйныя сістэмы, спрабуюць хаця б часткова выключыць атаку беспілотнікаў.
Нягледзячы на вышэйпералічаныя праблемы і недахопы, не варта чакаць, што ваенныя адмовяцца ад сістэмы GPS. Наадварот, будзе ўзмоцнена барацьба з сістэмамі глушэння, а ў тэхніку і ўзбраенне будуць дададзены дадатковыя сістэмы, якія будуць перашкаджаць глушэння сігналу GPS.
Інерцыяльная навігацыя будзе ўдасканальвацца, а ў высокадакладнай зброі заўсёды будзе ў запасе іншы, не менш эфектыўны метад прыцэльвання. У цяперашні час вядзецца інтэнсіўная праца над такімі рашэннямі. Гавораць пра навігацыю па малюнках, астранавігацыю (вяртаючыся ў мінулае?) і навігацыю па магнітных анамаліях. Высокія тэхналогіі! Таму нас чакае яшчэ шмат цікавага.
Але радавога карыстальніка мала цікавіць, што там у вайскоўцаў. Мы хочам, каб GPS дапамог нам вызначыць наша месцазнаходжанне, каб навігатар правільна пракладзены маршрут паходу ў горы або ранішняй прабежкі або падчас паездкі на аўтамабілі. Зараз цяжка ўявіць жыццё сучаснага чалавека без гэтых выгод.
У прынцыпе, можна сказаць, што нават калі мы не выкарыстоўваем GPS непасрэдна, гэта значыць самі не ўключаем прыёмнік, мы ўсё роўна можам ім карыстацца. Сістэма працуе самастойна, яна стала звыклай, зручнай і неабходнай часткай нашага жыцця.
Чытайце таксама: